JP2005184951A - 埋込磁石同期モータとその駆動方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】インバータ装置の故障ないしは電源の停電などの異常状態においても、回路を遮断し確実に装置の保護をする。
【解決手段】界磁として複数の永久磁石を回転子コアの内部に配置してなる回転子と、回転子と空隙を介して対向するように配置した固定子とを有し、回転子と固定子とが相対的に回転可能となるように支持されており、固定子は固定子コアと、固定子コアの回転子との対向面に設けた溝に敷設した多相の電機子コイルとからなり、モータ駆動インバータの出力電力を供給することにより駆動される埋込磁石同期モータにおいて、正常動作中は電機子コイルがY結線となり、異常が発生するとY結線を解除する回路開閉手段を備え、電機子コイルの各相コイルの一端を回路開閉手段に接続し、電機子コイルの各相コイルの他端がモータ駆動インバータに接続される。
【選択図】 図1
【解決手段】界磁として複数の永久磁石を回転子コアの内部に配置してなる回転子と、回転子と空隙を介して対向するように配置した固定子とを有し、回転子と固定子とが相対的に回転可能となるように支持されており、固定子は固定子コアと、固定子コアの回転子との対向面に設けた溝に敷設した多相の電機子コイルとからなり、モータ駆動インバータの出力電力を供給することにより駆動される埋込磁石同期モータにおいて、正常動作中は電機子コイルがY結線となり、異常が発生するとY結線を解除する回路開閉手段を備え、電機子コイルの各相コイルの一端を回路開閉手段に接続し、電機子コイルの各相コイルの他端がモータ駆動インバータに接続される。
【選択図】 図1
Description
本発明は、産業・家庭用電気機器の駆動システム、例えば工作機主軸モータ、エアコンや油圧機器のコンプレッサモータ、電気自動車・ハイブリッド電気自動車の車輪駆動用モータなど、特に高効率かつ広範囲な定出力範囲とともに安全性・信頼性を要求される用途に好適とされるモータとその駆動方法に関する。
従来、産業・家庭用電気機器の駆動システム、例えば工作機主軸モータ、エアコンや油圧機器のコンプレッサモータ、電気自動車・ハイブリッド電気自動車の車輪駆動用モータなどの用途には、ネオジム磁石に代表される高性能永久磁石を用いた埋込磁石同期モータが用いられている。この埋込磁石同期モータは、一般に電機子コイルの各相コイルの一端を中性点としてモータ内部でスター結線し、他端に電圧形多相PWMインバータの出力端に接続し、回転子の位置に応じた交流電力を供給することで駆動される。
このモータの特徴は、界磁の極上に通電した電流(所謂q軸電流)による磁石トルクに加えて、界磁の極間に通電した弱め界磁方向の電流(所謂−d軸電流)によるリラクタンストルクが作用することにより、高効率且つ、広い低出力範囲が得られることである。
このモータの特徴は、界磁の極上に通電した電流(所謂q軸電流)による磁石トルクに加えて、界磁の極間に通電した弱め界磁方向の電流(所謂−d軸電流)によるリラクタンストルクが作用することにより、高効率且つ、広い低出力範囲が得られることである。
一方で、駆動用のインバータが正常に動作していれば、高速回転域でも弱め界磁の効果によりモータの電機子線間電圧はインバータの許容電圧以下に抑えられているが、インバータが故障した場合、あるいは電源側やモータの回転子角度検出器の不具合によりインバータが正常動作をしていない場合には、モータの過大な逆起電圧がインバータに逆印加されることになり、あるいはモータに過大な電流が流れることになり、インバータ内直流電源部のコンデンサの破壊や半導体素子の絶縁破壊、インバータやモータの過大な発熱や焼損といった事故を引き起こす可能性がある。
この問題に対し、多相駆動電源(リニアパワーアンプ)が故障した際にモータの焼損を防止するために、リニアパワーアンプとモータの電機子コイル間の接続を切断する機構を具備したものがある(例えば、特許文献1参照)。
あるいは、モータの逆起電圧からインバータを保護するために、電機子コイルの中性点接続部に機械式の開閉機構を具備したものがある(例えば、特許文献2参照)。
この問題に対し、多相駆動電源(リニアパワーアンプ)が故障した際にモータの焼損を防止するために、リニアパワーアンプとモータの電機子コイル間の接続を切断する機構を具備したものがある(例えば、特許文献1参照)。
あるいは、モータの逆起電圧からインバータを保護するために、電機子コイルの中性点接続部に機械式の開閉機構を具備したものがある(例えば、特許文献2参照)。
図8は、特許文献1に記載の従来例を説明するためのブロック図である。図8において、61は制御用コンピュータ、62はD/A変換機、63はリニアパワーアンプ、64は継電器、65はモータ、66は低インピーダンス素子、67は電流検出器である。モータ65の3相電機子コイルはスター結線とし、端子は4本(U相、V相、W相、中性点N)出しとし、中性点Nは電流検出器67を介してグランドに接続されている。低インピーダンス素子66は、モータ65のコイルインピーダンスよりも十分小さい値に設定される。
この図において、制御コンピュータ61やリニアパワーアンプ63などが正常に動作しているとき、継電器64の端子はリニアパワーアンプ63の出力端子とモータ65を接続している。リニアパワーアンプ63の出力である3相(U相、V相、W相)電流はバランスしているので、中性点Nには電流はほとんど流れない。しかし、リニアパワーアンプ63が破損した場合、3相電流にアンバランスが生じ、中性点Nに不平衡電流が流れる。電流検出器67で検出された不平衡電流は、制御用コンピュータ61において予め設定されていた値との比較で異常か正常かが判断され、異常の場合は継電器64へ信号を送って、リニアパワーアンプ63の出力端子に低インピーダンス素子66を接続する。すると、リニアパワーアンプ63の出力電流の大半が低インピーダンス素子66に流れることになり、モータ65には電流はほとんど流れなくなる。
このように、本従来例はリニアパワーアンプ63が故障した場合には継電器64で出力をモータ65から遮断し、焼損などの事故からモータ65を保護するのである。
このように、本従来例はリニアパワーアンプ63が故障した場合には継電器64で出力をモータ65から遮断し、焼損などの事故からモータ65を保護するのである。
図9は、特許文献2に記載の従来例を説明するための図であり、特許文献1記載の従来例の継電器に相当するブレーカの構造図である。図9において、7はブレーカ、71は回転自在の中性点接合部、71aは中性点接合部71の円周方向に等間隔で配置され放射状に延びる3つの端子部、72はモータ(図示せず)の電機子コイルである3相(U相、V相、W相)コイルの中性点側端につながる固定端子、73は中性点接合部71を回転させるリンク機構、74はリンク機構73につながるソレノイド形駆動機構である。
駆動機構74は、通常時は動作しておらず、ブレーカ7は同図のように端子部71aと固定端子72が接触するようになっている。すなわち、モータの各相コイルの中性点側端は、このブレーカ7によりスター結線される。インバータ(図示せず)とモータ電機子との間に配置された電圧検出部(図示せず)が、モータの回生動作時に、モータに発生する
逆起電圧によりインバータに印加される電圧を検出する。この検出信号は制御部において予め設定されていた値との比較で正常か過大かが判断され、過大の場合は駆動機構に74駆動信号が送られ、リンク機構73を介して中性点接合部71が回転し、端子部71aと固定端子72が離れる。
このように、本従来例はインバータに掛かるモータ逆起電圧が過大となった場合にブレーカ7で出力を遮断し、インバータなど電装部品を保護するのである。
特開平8−126193号公報
特開2002−159132号公報
逆起電圧によりインバータに印加される電圧を検出する。この検出信号は制御部において予め設定されていた値との比較で正常か過大かが判断され、過大の場合は駆動機構に74駆動信号が送られ、リンク機構73を介して中性点接合部71が回転し、端子部71aと固定端子72が離れる。
このように、本従来例はインバータに掛かるモータ逆起電圧が過大となった場合にブレーカ7で出力を遮断し、インバータなど電装部品を保護するのである。
しかしながら、上記従来の技術では、以下のような問題があった。
特許文献1に記載の従来例では、多相駆動電源(リニアパワーアンプ)とモータの電機子コイル間との間、すなわち電圧が印加され、通電されている部位を開閉操作するため、特に過大な逆起電圧が発生する回生時において、開放が困難であるという問題があった。また、不平衡電流を検出する方式のため、過大な電圧・電流の印加であっても3相が平衡している場合は異常を検出できないという問題があった。
特許文献2に記載の従来例は、モータの電機子コイルの中性点という、基本的にゼロ電位の部位を操作するため開放は容易だが、回路接点とリンク機構・駆動機構が必要のため回路開閉手段全体が複雑になるという問題があった。
また、両従来例共に、モータ駆動時は閉(ノーマルクローズ)の開閉機構としているため、電圧検出部や遮断指令部、インバータ全体が故障、或いは停電した時は回路を遮断(開放)できないというような問題も抱えていた。
特許文献1に記載の従来例では、多相駆動電源(リニアパワーアンプ)とモータの電機子コイル間との間、すなわち電圧が印加され、通電されている部位を開閉操作するため、特に過大な逆起電圧が発生する回生時において、開放が困難であるという問題があった。また、不平衡電流を検出する方式のため、過大な電圧・電流の印加であっても3相が平衡している場合は異常を検出できないという問題があった。
特許文献2に記載の従来例は、モータの電機子コイルの中性点という、基本的にゼロ電位の部位を操作するため開放は容易だが、回路接点とリンク機構・駆動機構が必要のため回路開閉手段全体が複雑になるという問題があった。
また、両従来例共に、モータ駆動時は閉(ノーマルクローズ)の開閉機構としているため、電圧検出部や遮断指令部、インバータ全体が故障、或いは停電した時は回路を遮断(開放)できないというような問題も抱えていた。
そこで、この発明はこのような問題点に鑑みてなされたものであり、上記のようにインバータ装置の故障ないしは電源の停電などの異常状態においても、回路を遮断し確実に装置の保護をすることを目的とする。産業・家庭用電気機器の駆動システム、例えば工作機主軸モータ、エアコンや油圧機器のコンプレッサモータ、電気自動車・ハイブリッド電気自動車の車輪駆動用モータなど、特に高効率と広範囲な定出力範囲を要求される用途に好適かつ安全な埋込磁石同期モータおよびその駆動方法を提供する。
上記問題を解決するため、本発明は、界磁として複数の永久磁石を回転子コアの内部に配置してなる回転子と、前記回転子と空隙を介して対向するように配置した固定子とを有し、前記回転子と前記固定子とが相対的に回転可能となるように支持されており、前記固定子は固定子コアと、前記固定子コアの前記回転子との対向面に設けた溝に敷設した多相の電機子コイルとからなり、モータ駆動インバータの出力電力を供給することにより駆動される埋込磁石同期モータにおいて、
正常動作中は電機子コイルがY結線となり、異常が発生すると前記Y結線を解除する回路開閉手段を備え、前記電機子コイルの各相コイルの一端を前記回路開閉手段に接続し、前記電機子コイルの各相コイルの他端がモータ駆動インバータに接続されたことを特徴とするものである。
このようになっているため、回路開閉手段により、モータの逆起電圧がインバータに印加される状態を防止あるいは任意で制御することができる。
正常動作中は電機子コイルがY結線となり、異常が発生すると前記Y結線を解除する回路開閉手段を備え、前記電機子コイルの各相コイルの一端を前記回路開閉手段に接続し、前記電機子コイルの各相コイルの他端がモータ駆動インバータに接続されたことを特徴とするものである。
このようになっているため、回路開閉手段により、モータの逆起電圧がインバータに印加される状態を防止あるいは任意で制御することができる。
また、請求項1に記載の発明における回路開閉手段を電磁接触器とするものである。
このようになっているため、回路開閉手段がコンパクトかつ低コストで実現すると共に、熱に対して安定な機構とすることができる。
このようになっているため、回路開閉手段がコンパクトかつ低コストで実現すると共に、熱に対して安定な機構とすることができる。
また、請求項1に記載の発明における回路開閉手段を、例えばトライアックのような双方向半導体スイッチング素子で構成するものである。
このようになっているため、回路開閉手段を長寿命かつ高信頼性なものとなる。
このようになっているため、回路開閉手段を長寿命かつ高信頼性なものとなる。
また、前記双方向半導体スイッチング素子をトライアックで構成したものである。
また、回路開閉手段をモータの本体に付設するものである。
このようになっているため、モータの電機子コイルから回路開閉手段に繋がる電線が短くなり、銅損の上昇を抑制することができる。
また、回路開閉手段をモータの本体に付設するものである。
このようになっているため、モータの電機子コイルから回路開閉手段に繋がる電線が短くなり、銅損の上昇を抑制することができる。
また、前記インバータの起動時に自己診断を行ない、自己の回路が正常状態である場合には閉指令を出力して前記回路開閉手段を閉とし電機子コイルをY結線とし、起動時に異常状態であった場合は閉指令を出力せずに前記回路開閉手段を開状態とし前記Y結線を解除し、動作中に自己の回路が異常状態に陥った場合には閉信号を停止して前記回路開閉手段を開とし前記Y結線を解除するものである。
このようになっているため、インバータが異常な場合にはインバータとモータとが遮断されるので、インバータの不正な電力がモータに供給されることを防止することができる。同時にモータの過大な逆起電圧がインバータに印加されることを防止し、インバータ内部のコンデンサの破壊や半導体素子の絶縁破壊、過大な発熱や焼損といった事故を防止することができる。
このようになっているため、インバータが異常な場合にはインバータとモータとが遮断されるので、インバータの不正な電力がモータに供給されることを防止することができる。同時にモータの過大な逆起電圧がインバータに印加されることを防止し、インバータ内部のコンデンサの破壊や半導体素子の絶縁破壊、過大な発熱や焼損といった事故を防止することができる。
また、前記電機子コイルの他端間に線電圧を検出する電圧検出手段を設け、前記他端間の電圧が規定値以下の場合に、前記電圧検出手段が閉指令を出力して前記回路開閉手段を閉とし電機子コイルをY結線とし、前記規定値より大の場合には閉指令を出力せずに前記回路開閉手段を開状態とし前記Y結線を解除するものである。
このようになっているため、モータの回転子角度検出器に不具合が生じても、モータの過大な逆起電圧がインバータに逆印加されることを防止し、インバータ内部のコンデンサの破壊や半導体素子の絶縁破壊、過大な発熱や焼損といった事故を防止することができる。
このようになっているため、モータの回転子角度検出器に不具合が生じても、モータの過大な逆起電圧がインバータに逆印加されることを防止し、インバータ内部のコンデンサの破壊や半導体素子の絶縁破壊、過大な発熱や焼損といった事故を防止することができる。
本発明によれば、界磁として複数の永久磁石を回転子コアの内部に配置してなる回転子と、前記回転子と空隙を介して対向するように配置した固定子とを有し、前記回転子と前記固定子とが相対的に回転可能となるように支持されており、前記固定子は固定子コアと、前記固定子コアの前記回転子との対向面に設けた溝に敷設した多相の電機子コイルとからなり、モータ駆動インバータの出力電力を供給することにより駆動される埋込磁石同期モータにおいて、正常動作中は電機子コイルがY結線となり、異常が発生すると前記Y結線を解除する回路開閉手段を備え、前記電機子コイルの各相コイルの一端を前記回路開閉手段に接続し、前記電機子コイルの各相コイルの他端がモータ駆動インバータに接続したので、モータの逆起電圧がインバータに印加される状態を防止あるいは任意で制御することができるという効果がある。
具体的には、モータ動作中に異常を検出して回路を開とする場合でも、基本的にゼロ電位の部位(中性点)を操作するため開放が容易かつ簡単な機構で済む。すなわち、回路開閉手段に定格の小さな素子を使うことができ、機構の小形化や低コスト化をはかることができる。また、開放後もリード端子に現れる電圧は、中性点が結線されたままの状態に比べて約1/√3と低い。更に、常時開の機構なので、停電やインバータ、検出器の異常状態が発生しても、閉信号が出力されない限り回路は開放のままであり、安全であるといった効果もある。
また、回路開閉手段を電磁接触器とすることにより、回路開閉手段がコンパクトかつ低コストで実現すると共に、熱に対して安定な機構とすることができるという効果がある。
また、回路開閉手段を、例えばトライアックのような双方向半導体スイッチング素子で構成することにより、回路開閉手段を長寿命かつ高信頼性なものになるという効果がある。
また、回路開閉手段をモータの本体に付設することにより、モータの電機子コイルから回路開閉手段に繋がる電線が短くなり、銅損の上昇を抑制することができるという効果がある。
また、前記インバータの起動時に自己診断を行ない、自己の回路が正常状態である場合には閉指令を出力して前記回路開閉手段を閉とし電機子コイルをY結線とし、起動時に異常状態であった場合は閉指令を出力せずに前記回路開閉手段を開状態とし前記Y結線を解除し、動作中に自己の回路が異常状態に陥った場合には閉信号を停止して前記回路開閉手段を開とし前記Y結線を解除することにより、インバータが異常な場合にも、インバータの不正な電力がモータに供給されることを防止することができる。同時にモータの過大な逆起電圧がインバータに印加されることを防止し、インバータ内部のコンデンサの破壊や半導体素子の絶縁破壊、過大な発熱や焼損といった事故を防止することができるという効果がある。
また、前記電機子コイルの他端間に線間電圧を検出する電圧検出手段を設け、前記他端間の電圧が規定値以下の場合に、前記電圧検出手段が閉指令を出力して前記回路開閉手段を閉とし電機子コイルをY結線とし、前記規定値より大の場合には閉指令を出力せずに前記回路開閉手段を開状態とし前記Y結線を解除することにより、モータの回転子角度検出器に不具合が生じても、モータの過大な逆起電圧がインバータに印加されることを防止し、請求項5の発明と同様、インバータ内部のコンデンサの破壊や半導体素子の絶縁破壊、あるいは過大な発熱や焼損といった事故を防止することができるという効果がある。
具体的には、モータ動作中に異常を検出して回路を開とする場合でも、基本的にゼロ電位の部位(中性点)を操作するため開放が容易かつ簡単な機構で済む。すなわち、回路開閉手段に定格の小さな素子を使うことができ、機構の小形化や低コスト化をはかることができる。また、開放後もリード端子に現れる電圧は、中性点が結線されたままの状態に比べて約1/√3と低い。更に、常時開の機構なので、停電やインバータ、検出器の異常状態が発生しても、閉信号が出力されない限り回路は開放のままであり、安全であるといった効果もある。
また、回路開閉手段を電磁接触器とすることにより、回路開閉手段がコンパクトかつ低コストで実現すると共に、熱に対して安定な機構とすることができるという効果がある。
また、回路開閉手段を、例えばトライアックのような双方向半導体スイッチング素子で構成することにより、回路開閉手段を長寿命かつ高信頼性なものになるという効果がある。
また、回路開閉手段をモータの本体に付設することにより、モータの電機子コイルから回路開閉手段に繋がる電線が短くなり、銅損の上昇を抑制することができるという効果がある。
また、前記インバータの起動時に自己診断を行ない、自己の回路が正常状態である場合には閉指令を出力して前記回路開閉手段を閉とし電機子コイルをY結線とし、起動時に異常状態であった場合は閉指令を出力せずに前記回路開閉手段を開状態とし前記Y結線を解除し、動作中に自己の回路が異常状態に陥った場合には閉信号を停止して前記回路開閉手段を開とし前記Y結線を解除することにより、インバータが異常な場合にも、インバータの不正な電力がモータに供給されることを防止することができる。同時にモータの過大な逆起電圧がインバータに印加されることを防止し、インバータ内部のコンデンサの破壊や半導体素子の絶縁破壊、過大な発熱や焼損といった事故を防止することができるという効果がある。
また、前記電機子コイルの他端間に線間電圧を検出する電圧検出手段を設け、前記他端間の電圧が規定値以下の場合に、前記電圧検出手段が閉指令を出力して前記回路開閉手段を閉とし電機子コイルをY結線とし、前記規定値より大の場合には閉指令を出力せずに前記回路開閉手段を開状態とし前記Y結線を解除することにより、モータの回転子角度検出器に不具合が生じても、モータの過大な逆起電圧がインバータに印加されることを防止し、請求項5の発明と同様、インバータ内部のコンデンサの破壊や半導体素子の絶縁破壊、あるいは過大な発熱や焼損といった事故を防止することができるという効果がある。
以上述べたように、本発明によれば、インバータや電源、回転子の角度検出器に不具合が生じても事故を引き起こす可能性が低く、産業・家庭用電気機器の駆動システム、例えば工作機主軸モータ、エアコンや油圧機器のコンプレッサモータ、電気自動車・ハイブリッド電気自動車の車輪駆動用モータなど、特に高効率と広範囲な定出力範囲を要求される用途に好適かつ安全・信頼性の高い埋込磁石同期モータおよびその駆動方法を提供することができる。
以下、本発明の具体的実施例を、図を用いて説明する。
図1は本発明の第1実施例を示す埋込磁石同期モータの駆動系全体のブロック図である。図において、1は交流電源、2は電圧形3相PWMインバータ、3は埋込磁石同期モータ、4は回路開閉手段である。インバータ2は、交流電源1から得られる3相交流を直流に変換するための整流器21、この直流の電圧脈動を抑えるためのコンデンサ22、PWM信号に基いて直流を交流へと変換するスイッチング部23、インバータ2の状態や種々の入力信号の監視、スイッチング部23への信号出力などを担う制御部24を具備する。モータ3は、U相コイル31a、V相コイル31b、W相コイル31cからなる電機子コイル31、埋込磁石形回転子(図示せず)の位置・角度情報を検出するエンコーダ等の角度センサ32を具備し、各相コイル(31a、31b、31c)の一端は回路開閉手段4に、他端はインバータ2内のスイッチング部23の出力部分に接続されている。回路開閉手段4は、通常時は開(ノーマルオープン)となる3つの接点と、この3点の短絡部分からなる。回路開閉手段を接続状態(閉状態)とすると、埋込磁石同期モータ3の電機子コイルがY結線となり、回路開閉手段4を遮断状態(開状態)とすると電機子コイルを開放状態とし、Y結線を解除する。回路開閉手段4は、フェールセーフ機能を備えるように正常動作中は励磁コイルを通電継続することにより、回路開閉手段4をバネ部材の力に逆らって接続状態(閉状態)を維持する。一方、異常が発生すると、励磁コイルへの電流が遮断されるため、上記バネ部材の力により、回路開閉手段4は遮断状態(開状態)となる。
そしてその動作を図2に示すように、回路開閉手段4は、通常時すなわちインバータ2の制御部24から接点閉指令25が与えられていない場合は、図2(a)のように各相コイル(31a、31b、31c)の一端(−U、−V、−W)につながる3つの接点が開いており、電機子コイル31には電流が流れない。インバータ2の制御部24から接点閉指令25を受け付けた場合のみ、図2(b)のように3つの接点が閉じ、各相コイル(31a、31b、31c)の一端(−U、−V、−W)が中性点としてスター結線される仕組みとなっている。
以上の構成から、接点閉指令25により、インバータ2とモータ3との接続を制御することができる。通常時はインバータ2とモータ3とが遮断されており、接点閉指令25が与えられた場合にのみ接続となる。したがって、停電や故障など、インバータ2が正常に動作していない場合、角度センサ32に不具合がある場合には接点閉指令25が与えられないようにすることによって、インバータ2とモータ3とが遮断されるので、インバータ2の不正な電力がモータ3に供給されることを防止することができる。
一方、モータ3が回転している場合は常時、逆起電圧がインバータ2の出力端に印加されることになるが、回路開閉手段4が開の場合は電機子コイル31の中性点が開放されているため、印加される電圧は中性点が短絡されている場合の1/√3に低減される。このため、逆起電圧によるインバータ2内の電装部品、例えばコンデンサ22やスイッチング部23の過電圧破壊を防止することができる。あるいは、インバータ2およびモータ3が動作中に回路開閉手段4を開とする場合も、基本的にゼロ電位の部位(中性点)を操作するため開放が容易かつ簡単な機構で済む。すなわち、回路開閉手段4に定格の小さな開閉素子を使うことができ、機構の小形化や低コスト化をはかることができる。
図3は第2および第3の実施例を示しており、回路開閉手段4の具体例を表す図である。
図3は第2および第3の実施例を示しており、回路開閉手段4の具体例を表す図である。
図3(a)は、回路開閉手段4の主素子として、通常時は開(ノーマルオープン)である3つの接点42と接点駆動用のコイル43を持つ電磁接触器41を用いたものであり、接点42の一方を電機子コイルの一端(−U、−V、−W)につなぎ、他方を短絡する。また、コイル43には、接点開指令25と信号グランド(GND)を接続し、接点開指令25によってコイル43に電流が流れて接点42が閉じる、すなわち各相コイル(31a、31b、31c)の一端(−U、−V、−W)が中性点としてスター結線される仕組みとなっている。接点開指令25が与えられなくなると、一般のリレーと同様にバネや磁力などの作用で接点42が開く。回路開閉手段4に電磁接触機41を用いることにより、回路開閉手段4がコンパクトかつ低コストで実現すると共に、熱に対して安定な機構とすることができる。
図3(b)は、回路開閉手段4の主素子として、3つのトライアック(双方向半導体スイッチング素子)を用いたものであり、各トライアック44のアノード/カソードの一方を電機子コイルの一端(−U、−V、−W)につなぎ、他方を3つとも短絡する。また、各ゲート44gには接点開指令25を並列に接続して、接点開指令25の入力でゲートONとなり、各トライアックが導通する、すなわち各相コイル(31a、31b、31c)の一端(−U、−V、−W)が中性点としてスター結線される仕組みとなっている。接点開指令25が与えられなくなると、一般のサイリスタと同様に各電圧のゼロ点で非導通となる。回路開閉手段4にトライアック44を用いることにより、回路開閉手段4がコンパクトかつ低コストで実現すると共に、長寿命かつ高信頼性なものとすることができる。
図4は本発明の第4実施例を示す埋込磁石同期モータの外観図である。図において、3は埋込磁石同期モータ、32は埋込磁石形回転子(図示せず)の角度情報を検出する角度センサ、33は回転子につながるシャフトである。また、34は端子箱であり、この中に、電機子コイル(図示せず)とインバータ(図示せず)とをつなぐための3つの端子35と、回路開閉手段4、この回路開閉手段4に接点閉信号25を接続される端子とを具備する。
すなわち、回路開閉手段4をモータ3の本体に付設したものである。
以上の構成から、モータ3の電機子コイルから回路開閉手段4につながる電線を短くすることができるため、その分の銅損を低減することができるとともに、回路開閉手段4の設置スペースが不要となり、全体がコンパクトに構成できるようになる。
すなわち、回路開閉手段4をモータ3の本体に付設したものである。
以上の構成から、モータ3の電機子コイルから回路開閉手段4につながる電線を短くすることができるため、その分の銅損を低減することができるとともに、回路開閉手段4の設置スペースが不要となり、全体がコンパクトに構成できるようになる。
図5は、本発明の第5実施例を示すフロー図であり、埋込磁石同期モータの駆動方法、具体的にはインバータ内の制御部にて行なわれる、接点閉指令の出力可否を判断する処理の流れを表している。この図に示すように、本処理では、最初にインバータ本体のハード故障の有無が確認・判定され、次にインバータの動作が正常か否かが確認・判定される。両判定が正常であれば、制御部から接点閉指令を出力し、先述の回路開閉手段4が閉となり、モータの電機子コイルの中性点側がスター結線されて本処理が終わる。
以後は、モータ駆動の通常動作へと移行する。もしも両判定の何れかでも異常の場合は接点閉指令が出力されず、回路開閉手段が開となり、あるいは既に開状態であれば開のままとなり、インバータがエラーを表示することによって本処理が終了し、以後はインバータ停止処理へと移る。この処理は、インバータの電源投入後から電源遮断に至る期間において、制御部にて適宜実行される。このように、インバータの起動時および起動中に自己診断を行ない、インバータが正常状態である場合のみ、回路開閉手段を閉として中性点をスター結線するのである。
この駆動方法により、インバータが異常な場合にも、インバータの不正な電力がモータに供給されることを防止することができる。同時に、モータの過大な逆起電圧がインバータに印加されることを防止し、インバータ内部のコンデンサの破壊や半導体素子の絶縁破壊、過大な発熱や焼損といった事故を防止することができる。
この駆動方法により、インバータが異常な場合にも、インバータの不正な電力がモータに供給されることを防止することができる。同時に、モータの過大な逆起電圧がインバータに印加されることを防止し、インバータ内部のコンデンサの破壊や半導体素子の絶縁破壊、過大な発熱や焼損といった事故を防止することができる。
図6は、本発明の第6実施例を示す埋込磁石同期モータの駆動系全体のブロック図であり、埋込磁石同期モータの駆動方法、具体的には、接点閉指令の出力可否を判断する情報としてモータの線間電圧を用いる場合を示している。図において、1は交流電源、2は電圧形3相PWMインバータ、3は埋込磁石同期モータ、4は回路開閉手段である。5は電圧検出手段である。インバータ2は、交流電源1から得られる3相交流を直流に変換するための整流器21、この直流の電圧脈動を抑えるためのコンデンサ22、PWM信号に基いて直流を交流へと変換するスイッチング部23、インバータ2の状態や種々の入力信号の監視、スイッチング部23への信号出力などを担う制御部24を具備する。モータ3は、U相コイル31a、V相コイル31b、W相コイル31cからなる電機子コイル、埋込磁石形回転子(図示せず)の角度情報を検出する角度センサ32を具備し、各相コイル(31a、31b、31c)の一端は回路開閉手段4に、他端はインバータ2内のスイッチング部23の出力部分に接続されている。回路開閉手段4は、通常時は開(ノーマルオープン)となる3つの接点と、この3点の短絡部分からなる。電圧検出手段5はモータ3の各相コイル(31a、31b、31c)の、インバータ2につながる部位の線間電圧を監視し、その状態を制御部24に送っている。
次に、この電圧検出手段5の働きを、図を用いて説明する。
図7は、本発明の埋込磁石同期モータ3の回転速度と線間電圧との関係を示す図である。
この図に示すように、埋込磁石同期モータ3の線間電圧は回転速度にほぼ比例して増加して行き、規定の線間電圧となる基底回転速度までその傾向を続ける。この規定値は、インバータ2の発生可能電圧に依存し、インバータ2内の電装部品、主としてコンデンサ22の許容値に相当する許容最大値よりも低い値に設定されている。モータ2が基底回転速度以上で駆動される場合は、界磁の極間に通電する所謂弱め界磁制御により、線間電圧が規定値付近でほぼ一定となるように駆動される。この間、制御部24から接点閉信号25が回路開閉手段4に出力されており、モータ3の中性点がスター結線されて正常な駆動状態となっている。
図7は、本発明の埋込磁石同期モータ3の回転速度と線間電圧との関係を示す図である。
この図に示すように、埋込磁石同期モータ3の線間電圧は回転速度にほぼ比例して増加して行き、規定の線間電圧となる基底回転速度までその傾向を続ける。この規定値は、インバータ2の発生可能電圧に依存し、インバータ2内の電装部品、主としてコンデンサ22の許容値に相当する許容最大値よりも低い値に設定されている。モータ2が基底回転速度以上で駆動される場合は、界磁の極間に通電する所謂弱め界磁制御により、線間電圧が規定値付近でほぼ一定となるように駆動される。この間、制御部24から接点閉信号25が回路開閉手段4に出力されており、モータ3の中性点がスター結線されて正常な駆動状態となっている。
一方、例えば基底回転速度以上の回転中に角度センサ32が故障した場合には、弱め界磁制御が正常に行なわれないために線間電圧は図7の二点鎖線のように規定値を超えて増大する。このような異常状態では、電圧検出手段5からの信号を受けた制御部24が線間電圧の過大を感知し、直ちに接点閉信号を停止して回路開閉手段4を開き、すなわちモータ3の中性点を解放する。
以上の構成から、線間電圧を基にした接点閉指令25により、インバータ2とモータ3との接続を制御することができる。具体的には、モータの回転子角度検出器に不具合が生じても、モータの過大な逆起電圧がインバータに逆印加されることを防止し、インバータ内部のコンデンサの破壊や半導体素子の絶縁破壊、過大な発熱や焼損といった事故を防止することができる。
なお、以上第1から第6の実施形態は3相の例を示したが、インバータおよびモータの相数はこれに限定したものではない。また、回路開閉手段として電磁接触機および双方向半導体スイッチング素子を用いた場合としたが、回路開閉手段としては種々のものが使用可能である。更に、回転形モータの例を示しているが、直動形(リニア形)モータに対しても本発明は適用可能である。加えて、界磁として複数の永久磁石を回転子コアの内部に配置した埋込磁石同期モータの場合を示したが、その他のモータ、例えば表面磁石同期モータ、誘導モータなどにこの回路開閉手段および駆動方法を適用した場合も、同様の効果が得られることは言うまでも無く、それらを本発明から除外したものではない。
1 交流電源
2 インバータ
3 モータ
4 回路開閉手段
5 電圧検出手段
7 ブレーカ
21 整流器
22 コンデンサ
23 スイッチング部
24 制御部
25 接点閉指令
31 電機子コイル
31a U相コイル
31b V相コイル
31c W相コイル
32 角度センサ
33 シャフト
34 端子箱
35 端子
61 制御用コンピュータ
62 D/A変換器
63 リニアパワーアンプ
64 継電器
65 モータ
66 低インピーダンス素子
67 電流検出器
71 中性点接合部
71a 端子部
72 固定端子
73 リンク機構
74 駆動機構
2 インバータ
3 モータ
4 回路開閉手段
5 電圧検出手段
7 ブレーカ
21 整流器
22 コンデンサ
23 スイッチング部
24 制御部
25 接点閉指令
31 電機子コイル
31a U相コイル
31b V相コイル
31c W相コイル
32 角度センサ
33 シャフト
34 端子箱
35 端子
61 制御用コンピュータ
62 D/A変換器
63 リニアパワーアンプ
64 継電器
65 モータ
66 低インピーダンス素子
67 電流検出器
71 中性点接合部
71a 端子部
72 固定端子
73 リンク機構
74 駆動機構
Claims (7)
- 界磁として複数の永久磁石を回転子コアの内部に配置してなる回転子と、前記回転子と空隙を介して対向するように配置した固定子とを有し、前記回転子と前記固定子とが相対的に回転可能となるように支持されており、前記固定子は固定子コアと、前記固定子コアの前記回転子との対向面に設けた溝に敷設した多相の電機子コイルとからなり、モータ駆動インバータの出力電力を供給することにより駆動される埋込磁石同期モータにおいて、
正常動作中は電機子コイルがY結線となり、異常が発生すると前記Y結線を解除する回路開閉手段を備え、前記電機子コイルの各相コイルの一端を前記回路開閉手段に接続し、前記電機子コイルの各相コイルの他端がモータ駆動インバータに接続されたことを特徴とする埋込磁石同期モータ。 - 前記回路開閉手段が電磁接触器である請求項1に記載の埋込磁石同期モータ。
- 前記回路開閉手段が、双方向半導体スイッチング素子で構成される請求項1に記載の埋込磁石同期モータ。
- 前記双方向半導体スイッチング素子が、トライアックで構成される請求項3に記載の埋込磁石同期モータ。
- 前記回路開閉手段をモータの本体に付設したことを特徴とする請求項1乃至4に記載の埋込磁石同期モータ。
- 前記インバータの起動時に自己診断を行ない、自己の回路が正常状態である場合には閉指令を出力して前記回路開閉手段を閉とし電機子コイルをY結線とし、起動時に異常状態であった場合は閉指令を出力せずに前記回路開閉手段を開状態とし前記Y結線を解除し、動作中に自己の回路が異常状態に陥った場合には閉信号を停止して前記回路開閉手段を開とし前記Y結線を解除することを特徴とする埋込磁石同期モータの駆動方法。
- 前記電機子コイルの他端間に線電圧を検出する電圧検出手段を設け、前記他端間の電圧が規定値以下の場合に、前記電圧検出手段が閉指令を出力して前記回路開閉手段を閉とし電機子コイルをY結線とし、前記規定値より大の場合には閉指令を出力せずに前記回路開閉手段を開状態とし前記Y結線を解除することを特徴とする請求項6に記載の埋込磁石同期モータの駆動方法。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2003420602A JP2005184951A (ja) | 2003-12-18 | 2003-12-18 | 埋込磁石同期モータとその駆動方法 |
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JP2003420602A JP2005184951A (ja) | 2003-12-18 | 2003-12-18 | 埋込磁石同期モータとその駆動方法 |
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JP (1) | JP2005184951A (ja) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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JP2012253934A (ja) * | 2011-06-03 | 2012-12-20 | Ihi Aerospace Co Ltd | 発電装置、永久磁石発電機 |
-
2003
- 2003-12-18 JP JP2003420602A patent/JP2005184951A/ja active Pending
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JP2012253934A (ja) * | 2011-06-03 | 2012-12-20 | Ihi Aerospace Co Ltd | 発電装置、永久磁石発電機 |
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